基于“VR+云平台”的机械类专业实验教学模式改革与实践

陈清奎，魏鑫鑫，何 芹，刘 畅

（山东建筑大学 机电工程学院，山东 济南 250101）

实践教学是高等学校教育教学中极为重要的环节，是淬炼能力和实现教学目标的必由之路。早在2012年，教育部就指出，当前实践环节仍是高校教育教学的薄弱环节，要切实加强实践教学环节，深化实践教学方法改革[1]。此外，教育部在 2018年明确提出，要加紧建设高水准的高等学校教育和培养人才的本领[2]，加快推进信息技术与教育教学的深层次融合，在第四次工业革命的背景下，将互联网、大数据、虚拟现实等技术深度应用到教育教学的方方面面。

高校机械工程学科尤为注重教育教学的实践性[3]，而实验教学又是实践教学的重中之重[4]。因此，本文以融合互联网、虚拟现实技术的“VR+云平台”探索新型机械类专业实验教学解决方案，将学生原本“看不到”的抽象知识，变为可视的、便于理解的具体知识，激发实验教学活力。

1 传统机械类实验课程存在的问题

（1）实验教学资源匮乏。传统实验教学可供学生使用的实验教学资源只有实验课程环节有限的机械设备，受制于学时、实验空间、购置成本、设备操作安全等，学生人均可使用实验资源较低[5]，无法满足学生课后的回顾、复习和练习需要，在一定程度上降低了学生探索知识的积极性。

（2）实验与理论课程融合不足。现在，主流的培养方案对于理论和实验课程的设置是相互独立的[6]，二者的知识承继性存在空白期，学生无法即学即用、即学即练，无法实现对知识的巩固，在一定程度上浪费了学时。

（3）教学媒介与实验教学融合不足。多媒体授课方式仍然覆盖教学进程的始末，教学手段单一，师生之间和教学媒介之间互动性较低[7]。单一的多媒体授课与教学工具、实验模型、实验空间的融合性差，文字、图片、视频动画等平面教学要素难以表达机械类复杂性、隐藏性的空间机构，例如在工程图学课程上，难以呈现和表达学生的作图步骤和看图方法，需要教师的引导和示范来培养学生的空间想象能力。

2 机械类专业“VR+云平台”建设

2.1 VR教学资源建设

VR（virtual reality，虚拟现实）教学资源建设包括虚拟仿真实验和课程理论教学碎片化知识两部分内容，按照教学大纲要求，除了开发与课程真实实验配套的虚拟仿真实验之外，还要根据人才培养目标、实际人才能力需求[8]，增加若干虚拟仿真实验。表 1是已经上线的课程虚拟仿真实验明细表。

表1 已上线课程虚拟仿真实验明细

在开发VR教学资源时，将高成本、不可逆的实验虚拟化，将不可见、隐藏性的机械结构三维可视化，建立虚拟实验室模型、零部件模型，完成三维结构的旋转、拆装等操作[9]，将实验原理以三维仿真动画演示。

VR教学资源建设以Unity3D为主要VR技术开发平台，基于该平台的主体开发流程如下：通过三维扫描仪、相机等仪器设备，对真实场景与目标物体进行实地测绘，或者获取相关机械、建筑、电气等设施的CAD图纸，并对不确定部分进行重点补充测绘。基于以上测绘结果，在3Ds Max等建模软件平台上，进行场景与物体的建模，最终形成虚拟的机械结构、建筑物、电气设备等场景和设施。对模型对象进行特效及动画处理，完成特殊效果、特定部位、特定结构、特定过程等的展示。将建模结果导出为Unity3D能够识别的特定格式文件，例如FBX格式文件，再将模型全部导入Unity3D平台。在Unity3D平台软件中进行编码操作，完成目标对象的功能性模拟、物理属性、动态性能的仿真，以及相机、角色等人机交互功能的实现。最终将调试完成的目标系统输出为独立可执行文件，或者发布为网页标准格式的文件。

2.2 “VR+云平台”建设

为了便于教师、学生使用，开发了能够满足实验教学要求的高等学校机械工程学科虚拟仿真实验教学共享平台（www.vrlab-mech.com）（见图 1）和能够满足课堂理论教学需求的“VR+云平台”（www.keming365.com）（见图2）。这两个平台基于互联网技术及服务器虚拟化技术，建立了企业级云平台服务器系统，将VR教学资源上传到云端，借助云处理实现云端渲染。针对平台门户管理与虚拟化系统的通信问题，设计制定专门的通信协议，实现VR教学资源应用在运行状态下与门户管理平台的交互，完成VR教学资源的应用授权、实验成绩数据传送等工作内容。科学设计管理平台 UI，包括 F型页面布局、人性化页面层级设置与导航等功能，实现平台高可用性、易用性。优化资源兼容性，在平台资源存储与调用设计中，确定单机版与网络版共存的方式，以兼容更多现存的、种类多样的 VR资源。合理设计与确定服务器核心指标与配置、虚拟机创建方式与数量、GPU性能与规格等，确保VR资源虚拟化应用的高并发支持能力[10]。

平台由VR教学资源、云服务器系统、网络基础设施和应用管理平台4要素组成，应用管理平台系统包括登录管理、实验管理、成绩管理、统计管理等，如图3所示。

图1 机械工程学科虚拟仿真实验教学共享平台

图2 “VR+云平台”

图3 平台管理系统

2.3 “VR+云平台”的优势

（1）系统性。由国家级实验教学示范中心联席会机械工程学科组组织成立的虚拟仿真实验平台专家委员会，依据专业培养方案及课程教学大纲，完成标准制定、课程遴选和上线审核工作，保证了平台实验资源的系统性、权威性、正确性、专业性，建设了一系列契合培养方案的、体系完备的课程虚拟仿真实验项目。

（2）先进性。基于资源建设优化策略、资源加载优化策略、云计算等技术，创建了先进的VR资源云平台解决方案，保证了共享平台功能达到教育部制定的国家级虚拟仿真实验示范项目要求，研发项目数达到1 000个。

（3）便捷性与流畅性。直接使用浏览器访问，用户无须在终端额外下载安装任何软件与插件，PC、PAD、Mobile、VR实验室等都可实现随时网上登录进行练习与考核。利用云计算在云端完成虚拟仿真实验的加载与计算，不受用户终端自身带宽的影响，对终端的配置性能无过高门槛。

（4）安全性。资源上传到云端，在远程服务器上加载运行，并对VR实验资源进行加密处理，有效地保护了内容所有权，避免资源被窃。

（5）共建共享。背靠实验共享平台，进行校校之间、校企之间的合作共建，以实现精品虚拟仿真实验资源持续性地共建、共享、共用。

3 应用“VR+云平台”机械类课程实验教学模式改革

借助虚拟现实技术的交互性、仿真性、可视性的特点，探讨实践操作与自由探索相结合[11]，解决学生看不见、实验资源少、教师“教不了”、时空局限性等难题，使得知识教授从文本图片转化到语言动画，从2D转化到3D，从演示转化到操作，从而实现仿真实验、三维结构的可视化、虚拟场景漫游、三维结构的交互与拆装等。

3.1 理论教学与实验教学相结合

教师在多媒体教室、VR智慧课堂、实验室等多种教学环境中，实现机械类课程的线上线下混合式教学，将理论知识讲解与实践教学内容穿插进行，在进行理论课程教学时同步进行相应的章节实验，将知识活学活用、即学即用，消除中间的空白过渡期。

3.2 应用“互联网+VR”的实验教学

学生通过互联网，采用手机、iPad、笔记本电脑等多种终端形式，进行课程VR资源的学习以及开展实验课程活动，使学生不受时空制约进行自由主动学习，实现 3D沉浸式教学环境下的互动式、探究式学习，以充分调动学生的学习积极性。

3.3 VR+云实验三步法

将虚拟仿真实验与云平台相结合，创新了“VR+云实验三步法”：

第一步，VR+云预习：实验前，学生通过手机上网及 3D版实验指导书预习，并上传预习报告，平台自动评定学生实验预习成绩；

第二步，VR+云讲解：教师借助 VR教学资源讲解实验内容；

第三步，VR+云指导：学生借助手机，自行学习解决在做实验时碰到的问题。

3.4 云平台考核实验成绩

学生在结束实验操作后，平台会自动评定成绩，将该成绩折算计入学生的该课程成绩，允许学生多次完成实验，记录最好成绩，有利于激励学生不断操作实验。对于实验的预习，要求学生实验之前完成。对于真实实验之外的实验，给学生 20天左右的时间完成，在指定时间截止后，教师登录平台考核系统下载学生的实验成绩，没有增加教师过多的工作量。

4 应用“VR+云平台”的实验教学模式优势

（1）创新“VR+学习动机激励”教育理念。本文研究开发的“VR+教学云平台”开创了“VR+学习动机激励”教育理念，充分利用虚拟现实的特点引发学生探究知识的兴趣，增强学生的专注度、反馈度、自由度，以生动、立体、近在眼前的虚拟仿真三维机械部件，引导学生主动探索学习，真正促使学生由督促式学习转变为自主式学习。

（2）重塑“教与学”模式。以VR教学资源和以大数据、人工智能算法为基础的互联网作为新式教学媒介，将虚拟现实的特性与互联网的协作性、便捷性、共享性深度融合，开创以教师为基点，辅以VR实验资源和云平台手段的、围绕学生这一核心的新型“VR+云平台”实验教学模式，丰富了现有教学手段，有利于消除传统实验教学瓶颈和教学盲点，将教师的所思所想极大化传递。虚拟仿真实验将高成本、不可逆的实验虚拟化，将不可见、隐藏性的机械结构可视化，丰富了学生可用的学习资源。与云平台的结合，开创了“VR+云实验三步法”，即“VR+云预习”“VR+云讲解”“VR+云指导”，突破学生学习的时间、空间限制。

（3）多元化的考核方式。改变了单一的“实验+平时表现+期末测试”考核机制，单设 2学分的虚拟仿真实验学分，并使线上实验测试成绩占最终课程成绩的10%～15%，实现了“线上虚拟仿真实验+线下实验+平时成绩+期末测试”的新型考核方式。

5 结语

基于“VR+云平台”开创了新型机械工程学科实验教学模式，通过VR技术将教师、学生和实验资源融合在一起，以虚拟仿真实验穿插融合真实实验，二者相互补充，以虚助实，形成沉浸感受式、交互联动式、自主探索式的“VR+学习模式”。结合云平台实现了随时随地的学习，实验资源的多学多练，打造了专业化的、没有“围墙”的大学。该教学模式有效调动了教师的教学活力，激发了学生的学习动力，并以校校合作、校企合作的共享平台，助推VR教学资源普及化、科研成果教学化，帮助高校建设更多的国家级“一流课程”[12]。